光纤直接雷电测量技术研究

论文摘要

雷电测量在雷电防护技术中至关重要,准确获知雷电流大小以及波形才能采取正确的雷电防护措施。雷电电流的测量分直接和间接两种,直接测量的方法主要是利用安装了各种仪器的设备塔对自然闪电进行观测,并获得数据。间接估测法主要是利用近年来广泛应用的闪电定位系统,通过由闪电回击产生的远端辐射场和闪电电流之间的关系来推导闪电电流。本文利用法拉第磁光效应,采用新光纤传感技术取代传统CT式测量法,对雷电流的直接测量技术方案进行研究。论文首先详细分析了雷电流的特性,雷电流波头长度多在1～5μs,平均为2.6μs,雷电流的波长平均约为50μs,幅值一般可达上百KA,特别对雷电流振幅的频谱和能量的累积频谱进行分析,从而为确定系统设计要求、测量范围、系统带宽和响应速度等性能指标提供理论依据。本文详细介绍了光学电流传感器(OCS)的基本原理,结合直击雷电流的特性,设计了一套可用于实时测量雷电直击电流的装置。在分析系统需求的基础上,进行了总体方案设计,包括传感光路、太阳能供电方案、后续信号处理等。重点对传感光路部分进行分析,经过多种方案比较,选用反射干涉型光纤传感头方案,将Faraday相移大小转变为干涉信号进行检测,采用互易反射式结构,使干涉光在一根光纤中传播,前后以不同的顺序经历相同的光路,可极大克服如压力、振动等互易干扰,使被测值法拉第相移(非互易效应)的测量精度提高四倍。利用琼斯矩阵,建立了系统模型,对模型中各种参量对测量准确度的影响进行了仿真分析,从理论上得到了反映影响规律的曲线和典型尺度因子误差影响规律。讨论了系统最佳工作条件,提出一些系统改进方案为后续实验平台的搭建提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究课题的提出
• 1.2 课题的意义
• 1.3 国内外研究发展现状
• 1.3.1 雷电测量研究现状
• 1.3.2 光纤电流传感器研究现状
• 1.4 论文的主要工作和章节安排
• 2 雷电流的特性研究
• 2.1 雷电的形成
• 2.1.1 积雨云的发展过程
• 2.1.2 闪电的放电过程
• 2.2 雷电流的波形
• 2.3 雷电流特征参数
• 2.4 雷电流频谱分析
• 2.4.1 双指数函数模型的参数拟合
• 2.4.2 雷电流振幅的频谱分析
• 2.4.3 雷电流能量的累积频谱
• 2.5 本章小结
• 3 全光纤电流传感器基本理论
• 3.1 光纤电流传感器原理
• 3.1.1 光的偏振
• 3.1.2 法拉第磁光效应
• 3.1.3 偏振态检测基本原理
• 3.2 光学电流传感器分类
• 3.3 全光纤电流传感器的主要问题及解决方法
• 3.3.1 单模光纤的双折射效应分析
• 3.3.2 线性双折射的解决方案
• 3.4 本章小结
• 4 系统方案设计
• 4.1 系统需求分析
• 4.2 总体测量方案
• 4.3 系统供电方案
• 4.4 光路方案
• 4.5 信号处理方案
• 4.5.1 检测方案设计
• 4.5.2 检测电路设计
• 4.6 本章小结
• 5 光路方案的理论模型
• 5.1 光路基本原理
• 5.2 光路模型分析
• 5.3 系统功能器件分析
• 5.3.1 相位调制器
• 5.3.2 保偏光纤延时线
• 5.4 光路检测理论分析
• 5.5 本章小结
• 6 光路方案误差仿真分析
• 6.1 起偏器误差
• 6.2 λ/ 4 波片误差
• 6.3 传感头双折射影响
• 6.4 结构改进
• 6.4.1 光源波动
• 6.4.2 尺度因子误差补偿
• 6.4.3 光纤λ/ 4 波片制作
• 6.4.4 传感光纤与传输光纤
• 6.5 系统测量性能分析
• 6.6 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献